水火箭助推滑翔机实验报告

《空天工程导论》课 程 实 验 报 告

“绿箭”水火箭助推滑翔机项目

一、项目简述

水火箭项目，旨在通过亲手制作水火箭，让同学们深入了解制作水火箭的过程，培养动手实践能力和创新设计能力，同时提升同学们的实践意识和团队合作意识。水火箭，又称水推进火箭，主要使用废弃的饮料瓶制成，分为动力舱、箭体、箭头、尾翼等部分。发射水火箭时，在动力舱中灌入三分之一的水，向动力舱中打气到一定压力后，释放水火箭，动力舱中的压缩空气将水从尾部的喷嘴中高速喷出，利用反作用力，水火箭向上飞出。在此次水火箭项目中，我们利用废弃饮料瓶、塑胶尾翼板、头锥、空心螺管螺母等制成水火箭，利用伞布制作降落伞并且在水火箭上配置滑翔机。最终实现了水火箭的发射升空及开伞回收，水火箭和滑翔机的分离，及分离后使用遥控器控制姿态的滑翔机的滑翔。

二、小组成员情况

三、研制情况

3.1设计方案

3.1.1材料的选择

3.1.1.1箭体

在选择水火箭箭体材料时，我们组主要从瓶子的外形、强度两方面进行考虑。

由于水火箭箭体使用的是塑料瓶，所以其质量较小，极易受空气阻力产生较大的扰动。因此要选用气动外形优异的塑料瓶，即瓶身形状细长且呈流线型，以尽量减轻空气阻力带来的影响。七喜瓶头部有圆球形鼓包，且瓶身较软，易发生变形；雪碧瓶瓶身较为笔直，强度也更大，在体积相同的情况下后者气动外形更好。并且经过测试，雪碧瓶最抗摔，更适合多次进行飞行试验。

由于三级水火箭的箭体需要承受6-8个大气压，所以必须选择耐高压的碳酸饮料瓶，例如可乐、雪碧等。一般的矿泉水瓶、果汁瓶因为不能承受过高气压，不予考虑。

最终我们选择2L的雪碧瓶。

3.1.1.2头锥

在选择水火箭头锥时，我们组主要从质量，外形和材质三方面考虑。

由于头锥位于水火箭头部，如果质量过大，会造成“头重脚轻”，水火箭发射后呈“低头”状态。所以应在保证结构强度要求的情况下，尽量减轻弹头质量。首先我们试验了下发的实验材料中的橡胶头锥，发现雪碧瓶上端收口较快，而下发的实验材料中的橡胶头锥底面半径太小，故而无法跟雪碧瓶相匹配，所以我们试验了乒乓球头锥。发现乒乓球头锥不仅质量轻，而且与雪碧瓶配合使得气动外形较为流畅。

最终我们选择了质量轻且气动外形较好的乒乓球头锥。

3.1.1.3尾翼

在选择水火箭尾翼时，我们组主要从其形状，对称性，位置三方面考虑。

由于尾翼对于水火箭的气动力中心的位置以及飞行稳定性能影响很大，所以尾翼的大小、形状、位置每个因素都要认真考虑。下发的实验材料中有三种不同大小的梯形尾翼，但是面积都比较小，我们尝试了自己动手裁剪尾翼加大面积，但是不能保证形状完全相同。由于箭体较大稳定性能差，所以需要面积较大且对称性高的尾翼进行姿态控制。注意粘贴尾翼时位置位个箭体的后部，并且要对称粘贴，保证箭体受力对称。

最终我们选择了下发的实验材料中的的面积最大的塑料梯形尾翼。

3.1.1.4降落伞

在选择降落伞时，我们组主要从其伞面材质、大小，伞绳三方面考虑。

下发的实验材料中的的降落伞材质为塑料布，面积太小，且湿水不易打开，我们又在实验室寻找伞布自己剪裁制作伞面。在选择伞布材料时，我们总共找到了两种布料，一种是厚实且丝滑的彩色伞布，一种是轻薄但塑性形较好的灰色布料，由于我们的开伞方案需要保证小体积叠伞，所以我们选择了轻薄和塑性形好的灰色布料以便于折叠。实验证明，伞布比塑料布的结构强度和确定伞面大小的灵活性更大。由于我们的三级火箭质量较重，所以我们应选择直径较大的降落伞。由于材料限制，我们能够制作的降落伞最大直径为90cm。考虑到在开伞的一瞬间冲量较大，容易拉断伞绳，所以我们选择使用八股伞绳，使得每股伞绳上的平均受力较小，并且使用不容易拉断的风筝线作为伞绳。并且在保证降落伞能够稳定张开的前提下，应使伞面张开面积尽量大，所以我们最终选择伞绳的长度为50cm。

3.1.2水火箭的总体设计

3.1.2水火箭的总体设计

图1水火箭设计图

水火箭箭体的总体设计：如图所示，箭体分为头部和动力舱两部分。其中头部主要承担头锥和伞舱的任务，由一个锯掉瓶底的雪碧瓶构成；动力舱由三个雪碧瓶顺次头尾连接，连接处由⑫空心螺管连接，以保证各级之间的气密性。并且每级动力舱之间由⑪蒙皮加固，保证各级之间不出现歪斜的情况，而且能形成一个较好的气动外形。

尾翼位置的设计：为使水火箭重心始终保持在压心之前，我们选择将⑭尾翼粘在水火箭尾部，也就是第一级动力舱上。

伞舱即开伞装置的设计：如图所示，②~⑩构成了伞舱及开伞装置。在头部中内置一个伞舱，使用⑥X型橡皮筋为降落伞提供一个弹力，便于降落伞直接从伞舱中弹出，而不是依靠惯性滑出（滑出会导致降落伞伞绳缠在尾翼上而无法开伞）。开伞定时装置是由②发条和橡皮筋③⑦构成，当发条转到一定角度后，橡皮筋⑦从发条上脱离，橡皮筋③提供拉力将伞舱门打开，降落伞从伞舱中弹出。

滑翔机弹射装置的设计：滑翔机弹射与开伞装置原理类似。当发条转到一定角度后，固定滑翔机的橡皮筋从发条上脱离，利用内侧的X型橡皮筋将滑翔机弹出，实现滑翔机与水火箭的分离。

降落伞的设计：我们采用八股伞绳的布伞作为降落伞，在⑨伞线尾部外加一段⑩降落伞的固定线，将降落伞绑在箭体上。

滑翔机与降落伞时序控制的设计：通过控制两个橡皮筋在发条上旋转的角度（小角度先脱离），从而控制飞机的脱离，降落伞的开伞，及两者的时间差，达到先脱离后开伞。

3.1.3水火箭原理理论分析

水火箭全过程为灌入三分之一的水，利用打气筒充入空气到达一定的压力后发射。是利用水和空气的质量之比（水的密度是空气的771倍），压缩空气把水从火箭尾部的喷嘴向下高速喷出，在反作用下，水火箭快速上升，加速度、惯性滑翔在空中飞行，最后达到一定高度,在空中打开降落伞徐徐降落的火箭模型。

3.1.3.1喷水过程

加速度、惯性滑翔在空中飞行，最后达到一定高度,在空中打开降落伞徐徐降落的火箭模型。

伯努利定理：

3.1.4.1降落伞侧向开伞

3.1.4.1降落伞侧向开伞

3.1.4.1降落伞侧向开伞

图4伞舱正面图（改进前）图5伞舱正面图（改进后）

如图所示，我们采用侧向开伞方案。

相比于弹射开伞和降落伞直接绑在箭体外的开伞方案，这种侧向开伞方案对气动外形的影响最小。

降落伞弹射是使用X型橡皮筋的弹力将叠好的降落伞弹出，而不是依靠惯性从伞舱中滑出。这样降落伞弹出后与箭体距离较远，不会导致降落伞缠在箭体的其他装置上而不能开伞。

由于X型橡皮筋拉力较大，直接连在箭体的外壳上会使头部的外壳发生严重形变，导致箭体倾斜和飞行轨迹不稳定，所以我们在头部的箭体里面内置了一个伞舱。伞舱使用材质较硬的1555ml怡宝矿泉水瓶。

伞舱门的打开通过发条加橡皮筋控制，当发条转到一定角度后，右侧粗的黄色橡皮筋从发条上脱离，左侧细的红色橡皮筋提供拉力将伞舱门拉开，降落伞从伞舱中弹出。

在我们的试飞过程中，出现了降落伞卡在伞舱中的情况。是由于上升过程中过载较大，使得降落伞下移卡在了伞舱中，所以我们给降落伞加了一个滑道，保证降落伞能够在弹出的同时也能顺利滑出，实现了100%开伞。

3.1.4.3滑翔机弹射装置

3.1.4.3滑翔机弹射装置

滑翔机弹射装置与开伞原理类似，也是在发条转到一定角度后，外侧橡皮筋打开，内侧X型橡皮筋将滑翔机弹出。

3.1.4.4滑翔机捆绑方案的改进

3.1.4.4滑翔机捆绑方案的改进

图8弹射装置加飞机侧面图

如图所示，由于我们的橡皮筋捆在滑翔机头部，从侧面看，滑翔机与火箭轴线夹角为负。理想情况下，火箭速度沿轴线方向，这样滑翔机攻角小于零，气动力给滑翔机一个指向箭体的压力，将滑翔机压在箭体上，使滑翔机更加稳定。并且对比于其他滑翔机与火箭轴线平行放置的方案，攻角为负不提供升力，不会把滑翔机折断。

3.1.4.5 Z字形叠伞方式

图9 Z字形叠伞

我们的叠伞方式选用了Z字形叠伞，这样降落伞本身相当于一个弹簧，有一定弹性，能更好地保证降落伞弹出。且能保证伞的体积较小，不会卡在伞舱中。

3.2制作过程

3.2.1三级火箭主体的制作

将瓶表面的标签清除干净，并用电烙铁在一级动力舱底部、二级动力舱瓶口及底部、三级动力舱瓶口中心处烫出一个大小合适的圆孔，最大可能地保证孔的位置在瓶身轴线处。并用空心螺栓，螺母，垫片进行连接和密封，再用热熔胶进行加固，以保证各级之间不晃动。在一级动力舱大约中间位置对称地粘上四个尾翼，并用电工胶带加固。

3.2.2火箭头部与伞舱制作

3.2.2.1侧向开伞方案与伞舱制作

3.2.2.1侧向开伞方案与伞舱制作

3.2.2.1侧向开伞方案与伞舱制作

图11怡宝伞舱图 图12总体弹伞机构

伞舱制作：我们通过在头部内置伞舱的方式保证头部的气动外形不受影响。先将1555ml的怡宝矿泉水平剪去头部，在侧面剪一个合适大小的矩形窗，利用电烙铁在矩形窗的四个角烫四个小圆孔，用来固定X型橡皮筋，冷却后将两条橡皮筋交叉连接在伞舱上。内置伞舱制作完成后，用502将其连接在第三级动力舱底部，并用热熔胶加固。

开伞装置制作：首先在头部的雪碧瓶上对应内部伞舱的矩形窗剪出一个相同大小的矩形门，作为伞舱门，在伞舱门合适位置用电烙铁烫一个小孔。再将控制时序的的橡皮筋和辅助开伞舱门的橡皮筋穿过，并用透明胶带固定。在伞舱右侧合适位置用双面胶固定发条，并用电工胶带加固。在伞舱左侧合适位置粘贴辅助开伞橡皮筋的挂钩，保证辅助橡皮筋能够将伞舱门拉开。

滑道制作：为保证降落伞不会卡在伞舱下的空隙中，我们用蒙皮材料为降落伞制作了一个滑道。首先用蒙皮剪一个合适大小的矩形，并将其一端剪成曲率半径与雪碧瓶半径相对应的圆弧，如图所示固定在伞舱中。

3.2.2.2乒乓球头锥的制作

首先将制作头部的雪碧瓶瓶口处锯掉，直到能够刚好放进一个乒乓球，先用502固定，再用热熔胶加固。

3.2.3降落伞的制作

将事先选择好的伞布裁剪成直径大约为90cm的圆形降落伞面，伞布的边缘用电烙铁烫出对称的8个可供伞绳穿过的小洞。剪出8根比降落伞半径稍长的风筝线作为伞绳，将伞绳用渔网扣的方法系在降落伞上后，用透明胶带封好接口。

图13降落伞实物图 图14降落伞与箭体连接

3.2.4滑翔机弹射装置的制作

利用实验室现有的材料，我们决定改装两块梯形尾翼作为滑翔机支架。首先将两块尾翼材料剪短，以适合滑翔机高度。在一块尾翼材料的四个角利用电烙铁烫死个小孔，另一块尾翼材料在内侧烫两个小孔。两块材料内侧的四个小孔用于固定X型橡皮筋，左侧支架的外侧小孔用于连接定时装置的橡皮筋。在支架右侧的合适位置用双面胶固定发条，并用电工胶带加固。

3.2.5滑翔机的加固

将电工胶带对称贴在机翼上缘，以固定机翼、防止机翼因过度向上变形而损坏。再将透明胶带贴在两侧机翼的下缘，以起到支撑作用。因头部在落地时易受到冲击，故用透明胶带缠绕头部的方法对其进行加固。对损坏较大的机翼，用热熔胶涂覆在断口处进行粘合，效果甚佳。

图15用电工胶带进行上缘加固 图16用透明胶带进行下缘支撑

图17头部加固 图18热熔胶粘合断裂机翼

3.3水火箭性能的预期分析

我们设计的水火箭性能方面有优势和保障。第一，在制作时首先保证了气密性，确保水火箭不会出现严重的漏气问题而导致发射失败。第二，我们在进行时序控制时，使得滑翔机先脱离而降落伞后打开，这样可以保证不会出现降落伞绳缠在滑翔机上而出现既无法开伞滑翔机也无法脱离的情况。第三，降落伞的八根伞绳能够让它在空中更好的展开，而较大的伞面则可以确保水火箭落地的速度足够小，不会损伤水火箭。

但也存在着一些问题：第一，伞绳过多过长可能导致降落伞被伞绳缠绕或者伞绳缠绕在尾翼上导致降落伞无法打开。第二，由于理论计算存在偏差在进行时序控制时无法保证在最高点开伞，而且由于每次试验存在偶然性，也无法通过试验得到最优的开伞时间。最终导致提前开伞或滞后开伞，对飞行时间和飞行姿态有一定影响。第三，由于实验室可以利用的材料有限，我们的降落伞相对于三级水火箭来说仍然较小，下落速度太快，对飞行时间有一定影响。

表2 发射试验参数统计及评分

四、试验情况

4.1试飞情况

4.1.1第一次试飞

主要目的：初测三级水火箭气密性、稳定性等性能，以便更好了解本组设计火箭的特点。测试最初代伞舱的可靠性。

试飞结果：水火箭飞行高度达到预期，但未成功开伞导致部分损坏。具体表现为：伞舱门不能可靠地弹开，或者即使舱门按照预期弹开，降落伞也会出现卡在舱内的情况。

经验教训：第一代伞舱由于使用了未经改造过的发条开伞机构，不能够保证舱门稳定地弹开因而影响正常开伞，于是在后来的改进中我们选择了锯断发条来弹开舱门。另一方面，为了防止降落伞卡住，我们特地更改了叠伞方式，采用Z字叠伞。

图19第一次试飞

图20高空未成功开伞

图21未开伞导致箭体部分损坏 图22严重损坏的第一代伞舱

4.1.2第二至四次试飞

主要目的：寻找最优的开伞方式。练习滑翔机分离与遥控过程。不断熟悉发射流程。

试飞结果：由于箭体结构采用了瓶底在上的方式进行连接，导致以顶部开伞为思路的第二代伞舱未能够正常安装在箭体上，最终这种思路被我组放弃。由于材料短缺，第三代伞舱以七喜瓶为材料制作，在初代伞舱的基础上锯短发条机构。其初期效果较好，后期发生较大变形，最终导致未成功开伞而坠落损坏。滑翔机分离比较稳定。

经验教训：仅靠开伞机构的改良不能保证稳定开伞，还需要伞舱本身具有一定强度刚度，为此我们首先选择再次使用同箭体配套的较硬的雪碧瓶子，另外还在之后的第四代中使用怡宝瓶制作了一个内置小伞舱，这样可以进一步防止多次试验后伞舱变形影响开伞成功率；

图23弹射开伞方案 图24第三代伞舱

图25第二次试飞

图26第三代伞舱起初表现良好

图27第三次试飞

图28第三次试飞时出现开伞异常

图30第四次试飞 图31第三代伞舱仍不能稳定开伞

4.1.3第五至第七次试飞

主要目的：优化开伞伞舱最终方案；完善整个发射流程

试飞结果：第四代伞舱可靠性明显提高。整个发射过程愈发流畅。但中途仍有降落伞卡在伞舱内的情况出现

经验教训：在第四代伞舱的基础上，我们需要降落伞能够非常稳定的弹出而不出现卡住的情况，为此我们又用蒙皮材料为制作了一个滑道。至此，开伞的问题基本解决。

图32第五次试飞 图33火箭回收与滑翔机分离成功达到预期

图36第七次试飞 图37试飞成功

4.2正式飞行情况

图38第一次现场试飞箭体飞行偏斜严重 图39第二次现场试飞开伞失败

图40第三次现场试飞滑翔机分离效果不佳 图41正式考核

图42成功完成分离滑翔任务 图43成功完成开伞回收任务

五、总结

5.1主要成绩和收获

我们成功实现了对水火箭整体的回收以及滑翔机的分离过程，并且成功坚持了自己的创新思路。尽管由于思路的独特性，我们鲜有其他组的经验教训以供参考，但是通过投入大量时间进行改进与测试，我们最终让自己的方案得以圆满。通过多次测试与比较我们最终确定了比较满意的伞舱与开伞方法；通过设计独特的滑翔机分离机构与操作，我们几乎没有出现过滑翔机因分离异常而损坏的情况，在整个实验过程中滑翔机部分也没有太多困难；在整个实验过程中，有些小组不能通过三级水火箭来取得满意的成绩，最终放弃了这条道路。而我们组通过对箭体结构外形的不断改良测试，最终成功使用三级水火箭通过了考核并取得优异成绩。通过多次试验时间，在一次次发射失败中不断摸索，最终确定了相比之下最为流畅合理的发射流程。面对自己不能轻易解决的问题，我们也虚心向其他小组请教，互相学习帮助。同时也积极向教员请教问题，我们的成功也离不开较远的耐心指导。总之，尽管水火箭发射并非一个十分困难的问题，但是我们仍然觉得这个过程给予我们教育和启发，让我们懂得团队合作与坚持不懈的重要性，对我们的成长有深远意义。

5.2个人总结与感想

5.2.1 赵梦个人总结

这次水火箭的制作，我们组完全是从零开始。一开始，我们不知如何组装箭体，不知如何开伞，不知如何弹射滑翔机，但还是一步一步“摸着石头过河”，参照学长学姐去年的模型，再加上自己天马行空的想象，逐渐扫除盲区，组装并完善好整个箭体。在试飞过程中，我们组经历了许多次发射失败，一次次的开伞失败，一次次的反工头锥，让我们懊恼不已。但这些失败的经历也让我明白了不能总到实验中去试错，这样代价太大，而是要在制作过程中做到精益求精，不能凑合凑合就过去；同时要全面周到的考虑，不能忽略一点点微小的问题。通过这次制作，我们积累了很多实践经验，也涌现出了很多富有创意的点子，最终水火箭的成功发射，也极大的鼓舞了我们。希望我们能够带着这次的经验，在今年的CADC比赛中大放异彩。

5.2.2 訾心怡个人总结

这次水火箭的制作，我们几乎可以说是白手起家、从零开始。从刚开始根本不知道水火箭为何物，到最终完整的进行了一次飞行试验，期间经历了太多次失败。但是在这个过程中，我们也有许多新奇的想法，通过自主创新，解决了之前方案中的问题，享受到了创新的乐趣。这些创新点是让我感触最深的，虽然过程比较曲折，既没有学长学姐们的指导，也没有直接参照他人成熟的方案，但是我们一步一步摸着石头过河，不断改进，积极创新，积极思考，勇于突破，这样的实践才有意义。

5.2.3 刘子豪个人总结

我们这次发射过程中可谓是经历了风风雨雨，在不断改良和创新的过程中，我们多次更改设计，曾经四易其稿，大家都付出了很多，甚至自掏腰包购买原材料，这体现出大家高度的奉献精神和热情。

5.2.4 王靖林个人总结

从之前对于水火箭一无所知，到通过合作完成自己第一支水火箭的制作，再到亲自参与它的发射升空过程，我体验了很多，更学会了很多。小组在时间与材料双重均比较有限的情况下能够完成最后的考核目标，让我见识到团队力量的强大。尽管临近期末，来自其他科目的学业压力着实较大，同伴们还是挤出宝贵的时间，用心地完成了这个任务。虽然不分昼夜地实验试飞有时会让我感到心力交瘁，但当我看到降落伞成功开启，火箭缓缓落下，滑翔机翱翔天际的场面，我便深知这一切都是值得的。希望在个过程中我所获得的知识技能以及永不言弃的意志品质对我未来的发展有所裨益。

5.3建议及设想



建议：

①

在发射现场设置工具箱，包括剪刀、电工胶带、热熔胶、移动电源等可能用到的材料，便于各小组对发射失败的火箭进行维修。



设想：

①

根据教员建议，将伞仓开口开到瓶底，防止降落伞卡在伞仓中，与加滑道的方案相比达到减重的效果。

②

可以利用仿真软件对水火箭的气动外形及航道进行分析，较为精确地得到火箭的飞行高度及到达最高点所用的时间，实现精确的最高点开伞。

③

可以用精度更高的飞控器件加磁铁进行时序控制。

④

探索多级水火箭的空中分离方案、并联发动机舱的空中分离与回收。

⑤

可以探索如水火箭载物与回收、条幅水火箭等功能性、趣味性更高的水火箭方案改进。

⑥

可以探索喷口截面积与飞行高度的关系，通过增加活塞来减小喷口截面积，取得更高的飞行高度。

5.4其他情况说明

火箭发射架不甚稳定，易晃动，会影响火箭发射时的姿态。且发射把手易与发射传动机构脱离，维修困难。

附录：评分表

《空天工程导论》课程

实验报告评分表

根据《空天工程导论》课程大纲和培养目标，为了加强课程理论知识的学习，同步提高学生动手实践能力，课程实践教学环节的实验报告主要从设计方案描述、实验结果分析以及创新性三个方面进行评价，各部分的内容与分值如下表：